Metody doświadczalne mechaniki kompozytów konstrukcyjnych

Metody doświadczalne mechaniki kompozytów konstrukcyjnych

rok wydania: 2018
ISBN: 978-83-01-19850-3
ilość stron: 490
format: 16,5x23,5 cm
oprawa: miękka

Opis

Jednym z zadań inżynierii materiałowej jest uzyskanie nowych materiałów o z góry określonych właściwościach. Wymaganiom tym może sprostać odpowiednio zaprojektowany kompozyt. Ważnym etapem tego procesu są badania eksperymentalne. O tym właśnie traktuje ta książka.
Autor przedstawia w niej ogólną charakterystykę materiałów kompozytowych i ich składników, mechanikę ich struktury wraz z opisem procesów niszczenia w czasie obciążenia, charakterystyki zachowania kompozytów w różnych stanach naprężenia, zagadnienia ich reologii, zmęczenia i odporności na pękanie oraz obciążenia udarowe. Opisuje badania kompozytów oraz podaje sposoby analizy statystycznej wyników badań.
Polecamy tę książkę studentom wydziałów inżynierii materiałowej i mechaniki oraz pracownikom ośrodków naukowych zajmujących się problematyką badawczą.

Spis treści

1. WSTĘP / 11

2. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA KOMPOZYTÓW I ICH SKŁADNIKÓW / 14
2.1. Rodzaje kompozytów konstrukcyjnych / 14
2.2. Włókna i wzmocnienia / 15
2.2.1. Rodzaje włókien / 16
2.2.2. Postacie wzmocnienia / 22
2.2.3. Badania włókien / 25
2.3. Materiały na osnowy / 37
2.3.1. Rodzaje materiałów na osnowy / 38
2.3.2. Badania właściwości mechanicznych / 38
2.4. Technologia wytwarzania / 42
2.5. Właściwości anizotropowe / 45
2.6. Zastosowania / 48
2.7. Właściwości fizyczne / 55
2.7.1. Określenie zawartości włókien w kompozycie / 55
2.7.2. Pomiar masy właściwej / 57
2.7.3. Zawartość pustek (luk) / 57
2.7.4. Efekt skurczu / 58
2.7.5. Wpływ temperatury / 60
2.7.6. Wpływ wilgotności / 62
2.8. Specyficzne właściwości kompozytów 63
2.8.1. Efekt brzegowy / 63
2.8.2. Kąt między głównymi wektorami naprężenia i odkształcenia / 65
2.8.3. Efekt skali / 66
2.8.4. Wpływ liczby warstw / 67
2.9. Adhezja włókna do osnowy / 67
2.9.1. Rola adhezji / 67
2.9.2. Badania wytrzymałości adhezyjnej 68
2.9.3. Wyniki badań wytrzymałości adhezyjnej / 70
Literatura / 71

3. MECHANIKA STRUKTURY KOMPOZYTÓW / 74
3.1. Równania konstytutywne tworzyw anizotropowych / 74
3.2. Transformacja tensorów sztywności i podatności / 78
3.3. Rozszerzalność w równaniach konstytutywnych / 81
3.4. Równania konstytutywne kompozytu warstwowego / 83
3.5. Reguła mieszanin jako metoda określania właściwości / 87
3.6. Niszczenie kompozytu wzmocnionego włóknami prostymi / 89
3.6.1. Uwagi wstępne / 89
3.6.2. Kryteria wytrzymałościowe dla elementów strukturalnych / 91
3.6.3. Wytrzymałość na jednoosiowe rozciąganie / 92
3.6.4. Wytrzymałość na ścinanie wzdłużne / 94
3.6.5. Wytrzymałość na osiowe ściskanie / 94
3.6.6. Kryteria wytrzymałości jednokierunkowo wzmocnionego kompozytu w złożonym stanie naprężenia / 97
3.7. Niszczenie kompozytu wzmocnionego tkaninami / 98
3.8. Kompozyty o osnowie metalowej / 104
Literatura / 107

4. OKREŚLENIE CHARAKTERYSTYK W QUASI-STATYCZNYCH JEDNOOSIOWYCH OBCIĄŻENIACH / 109
4.1. Maszyny wytrzymałościowe / 109
4.2. Tensometryczne pomiary odkształceń / 112
4.3. Próbki do badań / 121
4.4. Próba rozciągania / 122
4.4.1. Rodzaje próbek / 122
4.4.2. Metody badań / 126
4.4.3. Wyniki badań rozciągania / 136
4.4.4. Fizyczna granica plastyczności / 136
4.5. Próba ściskania / 140
4.5.1. Metody badań / 143
4.5.2. Wyniki badań ściskania różnych rodzajów kompozytów / 149
4.6. Próba ścinania / 149
4.6.1. Skręcanie rurki / 150
4.6.2. Skręcanie płyty kwadratowej / 152
4.6.3. Skręcanie pręta o przekroju kołowym i prostokątnym / 153
4.6.4. Rozciąganie kompozytu [±45°]ns / 156
4.6.5. Próba Josipescu / 157
4.6.6. Ścinanie w sztywnych szynach / 162
4.6.7. Ścinanie w przegubowym czworoboku (ramie) / 164
4.6.8. Ścinanie w dwuosiowym obciążeniu próbki / 165
4.6.9. Skręcanie próbek pierścieniowych / 165
4.6.10. Zginanie krótkiej belki / 166
4.6.11. Ścinanie próbek z nacięciami / 166
4.6.12. Wyniki badań ścinania / 168
4.7. Próba zginania / 169
4.7.1. Zginanie belki prostopadłościennej / 171
4.7.2. Zginanie pierścieni / 175
4.7.3. Zginanie płyty rombowej / 177
4.7.4. Wyniki badań zginania / 178
4.8. Pomiar twardości / 180
4.8.1. Metoda wciskania kulki / 180
4.8.2. Metoda Rockwella / 181
4.8.3. Metoda Shore'a / 182
4.8.4. Metoda Barcala / 183
Literatura / 183

5. BADANIA W ZŁOŻONYCH STANACH NAPRĘŻENIA / 185
5.1. Kryteria wytrzymałości / 186
5.2. Urządzenia do badań / 189
5.3. Metody badań / 196
5.4. Wyniki badań / 198
Literatura / 206

6. BADANIA REOLOGICZNE / 208
6.1. Pojęcia podstawowe procesów reologicznych / 208
6.1.1. Klasyfikacja procesów reologicznych / 209
6.1.2. Kondycjonowanie próbek / 209
6.1.3. Charakterystyczne etapy procesów reologicznych / 210
6.2. Badania z obciążeniami quasi-statycznymi / 212
6.2.1. Próbki i aparatura do badań podstawowych / 212
6.2.2. Lepkosprężystość liniowa / 216
6.2.3. Programy badań / 222
6.2.4. Graficzna analiza wyników doświadczalnych / 224
6.2.5. Zasada superpozycji czasowo-temperaturowej / 233
6.2.6. Badania w złożonych stanach naprężenia / 234
6.2.7. Wytrzymałość długotrwała / 235
6.2.8. Wyniki badań / 241
6.3. Opis matematyczny efektów pełzania / 246
6.3.1. Wiadomości wstępne / 246
6.3.2. Opis liniowej lepkosprężystości / 248
6.3.3. Opis nieliniowej lepkosprężystości / 248
6.4. Badania ze zmiennymi obciążeniami / 251
6.4. ł. Dynamiczne pełzanie i relaksacja naprężeń 251
6.4.2. Wibropełzanie 255
6.4.3. Zespolone moduły i podatności dynamiczne. Dyssypacja energii / 256
6.4.4. Metody badań w zakresie niskich częstotliwości / 261
6.4.5. Metody badań w zakresie częstości dźwiękowych i ultradźwiękowych / 264
6.5. Badania specjalne / 268
6.5.1. Pełzanie anizotermiczne / 268
6.5.2. Wpływ napromieniowania materiałów rozszczepialnych na właściwości reologiczne / 269
Literatura / 269

7. ZMĘCZENIE KOMPOZYTÓW / 273
7.1. Pojęcia podstawowe / 273
7.2. Urządzenia do badań / 275
7.3. Temperatura samowzbudna / 278
7.4. Cykl jednostronny dodatni (0 < R < 1) / 280
7.4.1. Kompozyt wzmocniony jednokierunkowo / 280
7.4.2. Kompozyt wzmocniony wielokierunkowo / 283
7.5. Cykl dwustronny (-1 < R < 0) / 286
7.6. Zmęczenie podczas obciążeń nieosiowych / 289
7.7. Badania w złożonych stanach naprężenia / 291
7.8. Efekt częstości i poziomu naprężeń / 293
7.9. Wpływ orientacji włókien / 295
7.10. Wpływ spiętrzenia naprężeń / 296
7.11. Degradacja właściwości mechanicznych podczas zmęczenia / 297
7.12. Mechanizm niszczenia zmęczeniowego / 302
7.12.1. Mechanizm niszczenia kompozytu monotropowego / 302
7.12.2. Mechanizm niszczenia kompozytu o wzmocnieniu wielokierunkowym / 304
7.12.3. Mechanizm niszczenia kompozytu wzmocnionego tkaninami / 307
7.13. Kompozyty z osnową metalową / 308
7.14. Kompozyty z osnową ceramiczną / 312
7.15. Zachowanie się kompozytów z zakresie małej liczby cykli / 313
7.15.1. Mechanizm zmęczeniowych uszkodzeń / 315
7.15.2. Degradacja właściwości mechanicznych podczas zmęczenia niskocyklowego / 316
7.15.3. Akumulacja zmęczeniowych uszkodzeń / 318
7.15.4. Niskocyklowa trwałość zmęczeniowa w ujęciu energetycznym / 319
Literatura / 320

8. BADANIA ODPORNOŚCI NA PĘKANIE / 324
8.1. Uwagi wstępne / 324
8.2. Definicje podstawowe / 325
8.2.1. Współczynnik uwolnienia energii materiału izotropowego / 326
8.2.2. Współczynnik intensywności naprężeń (WIN) / 328
8.2.3. Całka J / 329
8.2.4. Rozwarcie wierzchołka szczeliny / 330
8.2.5. Parametry odporności na pękanie materiałów an izotropowych / 331
8.2.6. Kryterium oparte na naprężeniach od rozciągania i ścinania / 334
8.3. Metody określania wartości krytycznych / 336
8.3.1. Urządzenia do badań / 336
8.3.2. Próbki do realizacji różnych sposobów obciążenia / 338
8.3.3. Metody pomiaru długości szczeliny (pęknięcia) / 341
8.3.4. Wyznaczenie współczynników uwalniania energii / 344
8.3.5. Wyznaczanie krytycznej wartości współczynnika intensywności naprężeń (WIN) / 361
8.3.6. Wyznaczanie krytycznej wartości całki / 362
8.3.7. Pomiar krytycznych wartości dynamicznych / 362
8.4. Modelowanie procesów niszczenia / 375
8.5. Wpływ różnych czynników na odporność pękania / 377
8.5.1. Wpływ właściwości anizotropowych / 377
8.5.2. Wpływ wzmocnienia trój kierunkowego / 380
8.5.3. Wpływ prędkości odkształceń / 381
8.5.4. Wpływ właściwości żywicy i sposobu obciążenia / 383
8.5.5. Wpływ wody morskiej / 384
Literatura / 386

9. ODPORNOŚĆ KOMPOZYTÓW NA OBCIĄŻENIE UDAROWE / 389
9.1. Uwagi wstępne / 389
9.2. Urządzenie do badań / 390
9.3. Metody badań / 396
9.3.1. Udarowe rozciąganie / 396
9.3.2. Udarowe zginanie belki / 398
9.3.3. Udarowe zginanie płyty obciążonej środkowo / 401
9.3.4. Udarowe ściskanie / 404
9.3.5. Niszczenie rur ciśnieniem wewnętrznym i bijakiem / 405
9.3.6. Nieniszczące badania udarowe / 406
9.4. Wpływ różnych czynników na odporność udarową / 407
9.4.1. Wpływ właściwości osnowy / 407
9.4.2. Wpływ obciążeń wstępnych / 409
9.4.3. Wpływ struktury kompozytu / 410
9.5. Mechanizm uszkodzeń / 411
9.6. Metody oceny uszkodzeń struktury / 414
9.7. Pozostała wytrzymałość po obciążeniu udarowym / 416
9.8. Modelowanie niszczenia / 419
Literatura / 421

10. BADANIA NIENISZCZĄCE / 423
10.1. Badania ultradźwiękowe / 424
10.1.1. Prędkość fal ultradźwiękowych / 425
10.1.2. Specyfika badań kompozytów / 425
10.1.3. Określenie defektów w kompozytach / 427
10.1.4. Wyznaczanie stałych sprężystości / 430
10.2. Badania termograficzne / 433
10.3. Metoda emisji akustycznej / 437
10.4. Metoda akustyczno-ultradźwiękowa / 440
10.5. Badania radiologiczne / 442
10.5.1. Metoda rentgenowska / 442
10.5.2. Tomografia komputerowa / 444
10.6. Metoda prądów wirowych / 445
10.7. Metoda spadku potencjału / 447
10.8. Metody defektoskopii penetracyjnej / 447
10.9. Badania optyczne / 449
10.9.1. Wprowadzenie / 449
10.9.2. Interferometria holograficzna (IH) / 450
10.9.3. Elektroniczna shearografia (ES) / 452
10.9.4. Interferometria siatkowa (IS) / 455
10.9.5. Metoda projekcji prążków / 459
10.10. Metoda elastooptyczna / 460
10.11. Wykrywanie i monitorowanie niszczenia / 461
Literatura / 463

11. STATYSTYCZNA ANALIZA WYNIKÓW DOŚWIADCZALNYCH / 465
11.1. Charakterystyki rozkładu statystycznego / 465
11.1.1. Wykreślne przedstawienie danych doświadczalnych / 465
11.1.2. Miary głównych wartości / 467
11.1.3. Miary rozrzutu / 468
11.2. Rodzaje rozkładu statystycznego / 469
11.2.1. Rozkład Gaussa / 469
11.2.2. Rozkład Weibulla / 471
11.3. Przedziały ufności / 473
11.4. Ocena rozbieżności dwóch średnich / 475
11.5. Współczynnik statystyczny bezpieczeństwa / 476
11.6. Statystyczna selekcja danych / 478
11.7. Analiza regresyjna / 479
11.7.1. Regresja liniowa / 479
11.7.2. Regresja funkcji o kilku zmiennych / 481
11.7.3. Zastosowanie metody najmniejszych kwadratów do analizy parametrów pola / 482
11.8. Kryterium χ2 / 483
Literatura / 485
Skorowidz 4/ 86